IPv4(Internet Protocol version 4)とは？意味をわかりやすく簡単に解説

text: XEXEQ編集部

IPv4(Internet Protocol version 4)とは

IPv4はインターネットプロトコルバージョン4の略称で、インターネット上でデータ通信を行うための規格の一つです。現在のインターネットで最も広く使用されているIPアドレッシング方式であり、32ビットのアドレス空間を持っています。

IPv4アドレスは、0.0.0.0から255.255.255.255までの数値で表現され、ドット区切り10進表記が用いられます。これにより、約43億個のユニークなIPアドレスを割り当てることが可能となっているのです。

IPv4では、ネットワークアドレスとホストアドレスを区別するために、サブネットマスクが使用されています。サブネットマスクは、ネットワークアドレス部分を1、ホストアドレス部分を0で表現する32ビットの値となります。

また、IPv4ではクラスフルアドレッシングとクラスレスアドレッシングの2種類のアドレス割り当て方式が存在します。クラスフルアドレッシングは、IPv4アドレスをA、B、C、D、Eの5つのクラスに分類し、各クラスごとに固定されたネットワークアドレスとホストアドレスのビット数を割り当てる方式です。

一方、クラスレスアドレッシングは、より柔軟なアドレス割り当てを可能にするために導入された方式であり、CIDRと呼ばれます。CIDRでは、ネットワークアドレスとホストアドレスの境界を任意のビット位置で設定できるため、柔軟なネットワーク設計が可能になっているのです。

IPv4アドレスの構造と表記方法

IPv4に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

IPv4アドレスの32ビット構造とドット区切り10進表記
IPv4アドレスのネットワーク部とホスト部の区別
IPv4アドレスのクラス分けとサブネットマスク

IPv4アドレスの32ビット構造とドット区切り10進表記

IPv4アドレスは、32ビットの2進数で構成されています。これを人間が扱いやすいように、8ビットずつ4つのオクテットに分割し、各オクテットを0から255までの10進数で表現したものがドット区切り10進表記です。

例えば、「192.168.0.1」というIPv4アドレスは、2進数では「11000000.10101000.00000000.00000001」となります。各オクテットを10進数に変換することで、人間にとって分かりやすいIPv4アドレスの表記が可能になっているのです。

IPv4アドレスのネットワーク部とホスト部の区別

IPv4アドレスは、ネットワークアドレスとホストアドレスの2つの部分に分けられます。ネットワークアドレスは、そのIPv4アドレスが属するネットワークを識別するために使用され、ホストアドレスは、同一ネットワーク内の個々のホストを識別するために使用されます。

ネットワークアドレスとホストアドレスの区別は、サブネットマスクによって行われます。サブネットマスクは、IPv4アドレスと同じ32ビットの2進数で表現され、ネットワークアドレス部分を1、ホストアドレス部分を0で表します。IPv4アドレスとサブネットマスクの論理積を取ることで、そのIPv4アドレスが属するネットワークアドレスを求めることができるのです。

IPv4アドレスのクラス分けとサブネットマスク

IPv4アドレスは、伝統的にA、B、C、D、Eの5つのクラスに分類されてきました。各クラスは、ネットワークアドレスとホストアドレスのビット数が予め定められており、それぞれ異なるサブネットマスクを持っています。

クラスAは、最初の1ビットが0で始まり、ネットワークアドレスに8ビット、ホストアドレスに24ビットが割り当てられます。クラスBは、最初の2ビットが10で始まり、ネットワークアドレスに16ビット、ホストアドレスに16ビットが割り当てられます。クラスCは、最初の3ビットが110で始まり、ネットワークアドレスに24ビット、ホストアドレスに8ビットが割り当てられているのです。

しかし、クラスフルアドレッシングでは、アドレスの利用効率が悪いという問題がありました。そこで、より柔軟なアドレス割り当てを可能にするCIDRが導入され、クラスレスアドレッシングへと移行していったのです。

IPv4アドレスの枯渇問題とその対策

IPv4に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

IPv4アドレスの枯渇問題の原因と現状
プライベートIPv4アドレスとNATによるアドレス節約
IPv4アドレス枯渇対策としてのIPv6への移行

IPv4アドレスの枯渇問題の原因と現状

IPv4アドレスは、約43億個のユニークなアドレスを割り当てることができますが、インターネットの急速な普及に伴い、利用可能なIPv4アドレスが枯渇しつつあります。この問題は、IPv4アドレスの inefficient な割り当てや、予想以上のインターネットの成長によって引き起こされています。

現在、RIRと呼ばれる地域インターネットレジストリが、IPv4アドレスの割り当てを管理していますが、多くの地域で利用可能なIPv4アドレスが枯渇しつつあります。この状況に対処するために、様々なIPv4アドレス節約技術が開発され、実装されてきました。

プライベートIPv4アドレスとNATによるアドレス節約

IPv4アドレスの枯渇問題に対処するために、プライベートIPv4アドレスとNATが広く使用されています。プライベートIPv4アドレスは、インターネット上で直接ルーティングされない特別なアドレス空間で、組織内のネットワークで自由に使用することができます。

NATは、プライベートIPv4アドレスを使用するローカルネットワークとインターネットの間で、アドレス変換を行う技術です。NATを使用することで、複数のプライベートIPv4アドレスを持つデバイスが、単一のグローバルIPv4アドレスを共有できるようになります。これにより、IPv4アドレスの節約が可能となっているのです。

IPv4アドレス枯渇対策としてのIPv6への移行

IPv4アドレスの枯渇問題を抜本的に解決するために、IPv6が開発されました。IPv6は、128ビットのアドレス空間を持ち、約3.4×10^38個のユニークなアドレスを割り当てることができます。この膨大なアドレス空間により、将来のインターネットの成長に対応できると考えられています。

現在、多くの組織がIPv6への移行を進めていますが、IPv4からIPv6への完全な移行にはまだ時間がかかると予想されています。その間、IPv4とIPv6が共存する環境が続くと考えられ、各種のトランジション技術が開発され、実装されているのです。

IPv4ネットワークの設計とサブネット化

IPv4に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

IPv4ネットワークの設計における考慮事項
サブネット化の目的と利点
VLSMを用いた柔軟なサブネット化

IPv4ネットワークの設計における考慮事項

IPv4ネットワークを設計する際には、ネットワークの規模、トポロジ、セキュリティ、パフォーマンスなど、様々な要素を考慮する必要があります。また、将来の拡張性を見据えた設計も重要です。

ネットワークの規模に応じて、適切なIPv4アドレス空間を割り当て、サブネット化を行う必要があります。トポロジは、ネットワークの物理的および論理的な構成を決定し、冗長性や耐障害性に影響を与えます。セキュリティ面では、ファイアウォールやVPNなどの技術を適切に導入し、ネットワークを保護することが求められるでしょう。

サブネット化の目的と利点

サブネット化は、大きなIPv4ネットワークを複数の小さなサブネットワークに分割する技術です。サブネット化の主な目的は、ネットワークの管理を容易にし、パフォーマンスとセキュリティを向上させることです。

サブネット化によって、ネットワーク管理者は、論理的に独立したサブネットワークを作成し、各サブネットワークにおけるIPv4アドレスの割り当てを柔軟に行うことができます。また、サブネット化によってブロードキャストドメインが分割されるため、ネットワークのパフォーマンスが向上し、セキュリティも強化されるのです。